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关于用于土遗址本体锚固的煅烧姜渣灌浆的和易性和耐久性研究

Jingke Zhang ^a, , Wenwu Chen ^a , Zuixiong Li ^b , Xudong Wang ^b , Qinglin Guo ^b , Nan Wang ^a

^a Key Laboratory of Mechanics on Environment and Disaster in Western China, and School of Civil Engineering and Mechanics Lanzhou University, Lanzhou, 730000 Gansu, PR China

^b National Research Center for Conservation of Ancient Wall Paintings Dunhuang Academy Dunhuang, 736200 Gansu, PR China

摘要

在这项研究中，主要探究煅掺用了粉煤灰（F）和石英砂（S）的煅烧姜渣灌浆料对用于锚固土遗址的适宜性。根据灌浆一致性的要求，确定了煅烧姜渣灌浆料和粉煤灰质量配合比为0.45，煅烧姜渣灌浆料和石英砂质量配合比为0.33，和煅烧姜渣灌浆料，粉煤灰和石英砂质量配合比为0.35，以此来研究其物理力学性能和耐久性。实验结果表明，粉煤灰的使用可以延长灌浆的初始凝结时间，使用粉煤灰和石英砂掺合料可以降低低密度和收缩度，并提高其孔隙度和强度。加速老化试验表明，粉煤灰掺量对温度、湿度、硫酸盐侵蚀和碱环境的变化影响波动性强，同时掺合石英会导致高抗冻融作用和水环境。作为一种折中，掺合了粉煤灰和石英砂的煅烧姜渣灌浆料可以得到优越的耐久性。研究表明，掺合了粉煤灰和石英砂的煅烧姜渣灌浆料基本上是兼容土遗址，在工作性和耐久性方面是适用于土遗址的锚定和保护的。

关键词：土遗址；煅烧姜渣灌浆料；石英砂；和易性；耐久性

1 研究目的

锚技术在我国土遗址的预防性保护中发挥着重要的作用。作为锚杆与土介质之间的中间层，锚固灌浆在一定程度上被认为是长期锚固的保证。因为这个原因，锚固灌浆的工作性和耐久性是为了有效地控制土遗址的稳定性。因此，本研究的目的是探讨煅烧姜渣灌浆料的性能（CGN）（源于大地湾遗址，中国），灌浆掺用粉煤灰（F）和石英砂（S），并评价其对土遗址的适用性。这些新的灌浆材料可不仅用于锚技术还可以用于裂缝充填，可以支撑加固材料和土遗址界面之间的相容性。

2 研究背景介绍

在中国，自二十世纪八十年代以来，锚固技术一直用来处理不稳定性土遗址。这项技术大致就是将木材或者竹材等螺栓插入土遗址内。这些螺栓一般安装在土遗址上的预钻钻孔里，然后用特殊的泥浆灌浆，使固定并封口。因此，灌浆的作用是多重的：它给土壤介质和栓棒之间一个转移压力的功能，并且如果泥浆并未碎裂，它还可以提供一个基本的防腐蚀保护。充分考虑到相容性，用土遗址锚固技术处理的土不同于其他的岩土工程材料和工艺品，例如，水泥浆和铁螺栓在胚体中是不相容的。虽然为了保护锚固的土遗址，已经有很多项目致力于研究土遗址本体锚固技术的锚固性能[3-4]、界面力学分布[5-6]、螺栓性能[7]等方面，但是关于水泥浆的施工性能和耐久性能的细节研究报告却很少，而这恰巧对锚固技术的长期锚固可行性和锚固技术的应用可行性具有重大意义。

如今，我们已经意识到了水泥浆影响其在土遗址复原应用中的一些问题。其中的主要问题就是它们不相容的机械、物理和化学性能[2]。因此，在土遗址中很少使用水泥砂浆。之后，基于硅酸钾盐的水泥浆成功地修复了土遗址的裂缝。这种特殊的水泥砂浆有合理的锚固力（gt;3kN/m），并且与螺栓和土壤具有良好的相容性[8]。然而，这种基于硅酸钾盐的水泥浆在应用中也有一些限制，比如在长时间锚孔密封环境下有较长的凝结时间，无法提供更大的锚固力。因此，重中之重在于探索理化性质更为合适并且兼容性更强的水泥浆。

在欧洲，自然水硬石灰（NHL）作为一种理想的修复材料，被广泛地应用于石制文化遗产的保护工作中[9-11]。自然水硬石灰（NHL）是由含黏土的混合物或硅质灰岩在温度低于熔渣点时短少而得，在转变成粉末之前需要添加一定量的水[12]。许多研究[13-15]证明，自然水硬石灰（NHL）由于其具有低收缩性、抗盐腐蚀性、抗冰腐蚀性、更高的可变形性和水蒸气渗透率等良好性能，对旧的石料建筑具有更好的兼容性。事实上，自然水硬石灰也作为一种传统掺和料在土胚墙体上使用[16]。研究[17-20]表明，用自然水硬石灰混做的掺和料具有以下两个优点：这种掺和料具有优良的水蒸气透过率，并且机械力学性能与土胚墙体相似，这使得它们对此种土胚墙体具有更好的兼容性。此外，研究[21-23]表明，被自然水硬石灰处理过的土料可以得到相当大的强度，而不像传统土料一样需要可溶性盐的处理，后者可造成环境污染。这些石灰砂浆有一个基本特点，它们都具有两个硬化阶段[24-25]：一个液压阶段，基于其水化，形成铝硅酸钙盐水合物，另一个是碳酸化阶段，是在二氧化碳接触下反应的。综上所述，考虑到自然水硬石灰的良好兼容性和修复性，本文建议使用自然水硬石灰作为泥浆灌浆，以此达到锚固要求保护土胚。

在中国，传统建筑材料的研究（起源于中国甘肃省仰韶遗址）发现，在一千摄氏度下燃烧三小时后CGN具有与欧洲自然水硬石灰相似的性能[26]。目前，CGN一直被尝试着应用于修复石制材料[27-28]，但同时，没有具有相关应用的报道。本文旨在评估基于CGN的泥浆的易行性和耐久性，而不是它的锚固性能。此结果对基于CGN的泥浆应用于土胚非常实用。通过对不同的外加剂CGN基础灌浆（粉煤灰、石英砂）进行分析。研究结果将为该浆液在土遗址的适应能力评价是特别有用的。

3 研究方法

3.1 实验原材料

对于煅烧姜渣灌浆料，不同外加剂和混合比，对提高其工作性和耐久性有更进一步的研究。举例来说，粉煤灰作为一种替代的液压粘合剂，可以提高灌的浆耐久性和增加灌浆密度，同时减少初始流动所需的剪切应力[ 29-31 ]。由于化学稳定性和物理性能，石英砂也常常作为在NHL的石灰砂浆的掺合料[ 32 ]。

在考虑了流行的外加剂情况下，本研究采用浆液的制作原料即CGN，进行粉煤灰、石英砂和水。从中国甘肃省大地湾遗址的原料，实验室煅烧的姜渣灌浆料及其化学成分从表1可以看出。粉煤灰是由中国河北省天山发电厂生产提供的，粉煤灰属Ⅰ级，其化学组成结构见表2。石英砂（400目；硬度7；2.65克/立方厘米，相对密度）是从市场上购买的，水是取自实验室的干净自来水。

表1 煅烧姜渣灌浆料XRD 半定量分析结果

表2 粉煤灰的化学组成

表3灌浆料鉴别和组成

3.2 混合比例

混合浆液的识别,CGN重量的比例替代粉煤灰(F)和石英砂(S)如表3所示。

现有研究[33]表明,用于土遗址的最优一致性锚固灌浆大约是240毫米。因此,不同混合比例进行了测试使用流量计(JC / t958 - 2005模式)。结果(图1),混合最优比例确定为0.45 CGN 和粉煤灰,0.35 CGN和石英砂,0.33 CGN和 粉煤灰及石英砂。

图1 不同的混合比例下的浆液流动性

3.3 试样的制备和固化条件

在准备灌浆之前,干燥的CGN(粉煤灰或石英砂或两者)是用泥刀人工搅拌来避免粘聚。搅拌叶片的形状为螺旋状、直径略小于杯直径,这样可以混合所有的灌浆。两者之间的差距在底部,叶片和杯子差距是4毫米plusmn;1毫米。搅拌混合过程被选为确保混合是代表性和健全的方法。整个粘结剂添加到17/24的水并搅拌2分钟。剩下的水混合添加在30秒内并不断搅拌。这样所有材料已经添加,搅拌将持续4分钟转速2100 rpm。移动样品准备通过使用移动模具的大小40毫米times;40毫米times;160毫米,和立方标本处理利用立方模具尺寸为70毫米times;70毫米times;70毫米。样品在24 h后进行脱模,然后暴露在空气中固化，室内环境控制在温度在20— 25◦C和40%—60%相对湿度，接着到测试。

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3.4 测试方法

3.4.1 灌浆的物理性质

水泥浆的凝结时间测定使用的一致性决定者确定(BS EN 1015 - 9:1999[34])。收缩是由收缩仪按照ASTM c1148 - 92:2008进行测定。密度，孔隙率和水分含量得到基于RILEM[35]，BS EN1015-6：1999[36]和CEN.EN459-1：2010[37]。弹性波速度，通过使用用50千赫的流畅性的非金属声波装置（RSM-SY5的模式）中的立方体试样测定,其规格采用70毫米times;70毫米times;70毫米。

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3.4.2 抗弯和抗压强度测试

移动样品的大小40毫米times;40毫米times;160毫米(宽times;深度times;长度)受到中心加载弯曲试验。测试是使用由一个固定利率为0.1毫米/分钟的英斯特朗试验机。移动样品进行测试,直到他们被分成两半,弯曲强度计算。此外,从每个破碎的棱镜部分样品都是用于抗压强度测试按照CEN.EN 1015 - 11:1999 / A1:2006[38]。一半移动样品应当有裂纹的长度65毫米和自由表面的其他明显的缺陷。样品的抗压强度是计算除以最大附加荷载测试1600平方毫米的区域。

3.4.3 冻融循环测试

首先是冻融循环过程,样品在50天后在minus;30◦C 的温度下被冻融12 h,在这之后,样品在25◦C的温度下和90%的相对湿度都融化12 h。18个周期后,进行样品的抗压和抗弯强度测试。

3.4.4 温度和湿度循环测试

测试使用恒温恒湿机(模式ETH-1980-20-CP-AR)。循环测试,经过50 天年龄的样品经过在低于100◦C温度下加热 ,然后维持12 h的25◦C温度和90%的湿度。经过18个周期后,测试样品的抗压和抗弯强度。

3.4.5 水稳定性试验

可以采用两种方法来评估水中的稳定性。一种方法是50 天年龄的样品都沉浸在水中室温下24 h,抗压强度和弯曲强度试验立即完成（命名为湿样品）。另一个方法是50 天年龄样品在室温下在水中浸泡24小时,然后取出,在空气中干燥24小时,最后抗压和抗弯强度测试(命名为干燥样品)。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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